Induktor- und Transformatorauswahl bei der LLC-Wandler-Konstruktion

Erstellt: Mai 20, 2021
Aktualisiert am: Juli 1, 2024

Diese Induktivität ist eine von vielen Komponenten, die Sie für Ihr LLC-Wandler-Design benötigen werden

Alle Elektronik benötigt Stromversorgungen und Spannungsregelung, egal ob es sich um große Industriesysteme oder kleine Wearables handelt. Wenn Sie Automobil-Energiemanagementeinheiten, Stromwandler für Haushaltsgeräte oder industrielle Stromsysteme entwerfen, werden Sie wahrscheinlich ein LLC-Wandler-Design für die DC-DC-Umwandlung und -Regelung verwenden. Diese Topologie bietet eine hohe Energieumwandlungseffizienz mit einem einfachen Regelungsschema, aber es hängt alles von der Auswahl der richtigen Komponenten ab.

Die zwei primären Komponenten, die in einem LLC-Wandler-Design kritisch sind, sind Induktoren und Transformatoren. Diese beiden Komponenten steuern die Energieumwandlung und bestimmen gemeinsam das resonante Verhalten auf der Primärseite des Wandlerstadiums. Wenn sie zusammen mit einem PFC-Schaltkreis und Regelungsschleifen entworfen werden, haben Sie einen hocheffizienten Stromwandler für eine Reihe von Anwendungen.

Komponenten für ein LLC-Wandler-Design

Ein LLC-resonanter Wandler ist ein schaltender DC-DC-Wandler, bei dem die Ausgangsspannung durch Anpassen der Ansteuerfrequenz eines Halbbrücken- oder Vollbrücken-Schaltkreises mit Leistungs-MOSFETs gesteuert wird. Der Ausgangsstrom aus dem Brückenschaltkreis fließt in einen resonanten LC-Tank, der in Serie mit einem Transformator verbunden ist. Der Transformator erhöht oder verringert dann die gepulste Spannung auf die Sekundärseite.

Die Sekundärseite des Wandlers enthält einen Brückengleichrichterschaltkreis (gebaut aus Dioden oder MOSFETs), der die Ausgangsspannung/-strom zu einem stabilen DC-Niveau gleichrichtet. Ein Kondensatorbank stabilisiert weiter die Ausgangsspannung und reduziert das Rauschen auf einen niedrigen DC-Wert. Diese Wandler haben eine komplexe Topologie, aber die Steuerungsmethode ist ziemlich einfach und die erforderlichen Funktionsblöcke im Wandler können aus einer Reihe von kommerziell verfügbaren Komponenten aufgebaut werden. Die grundlegende Topologie eines LLC-Wandler-Designs ist unten dargestellt.

Topologie eines Halbbrücken-LLC-Wandler-Designs.

Im Gegensatz zu anderen schaltenden Wandlern, die eine Änderung des Tastverhältnisses eines PWM-Signals erfordern, um die Ausgangsspannung zu steuern, benötigt ein LLC-Wandler eine Änderung der Frequenz (Pulsfrequenzmodulation oder PFM), um die Ausgangsspannung auf den erforderlichen Wert einzustellen. Die Transistoren Q1 und Q2 im oben genannten Halbbrücken-LLC-Wandler-Design werden um 180 Grad phasenverschoben geschaltet. Wenn der Transistor auf der Hochseite eingeschaltet wird, fließt Strom zum Kondensator Cr und lädt ihn auf. Sobald Q1 ausschaltet und Q2 einschaltet, entlädt sich Cr. Beide Zyklen induzieren einen Strom auf der Sekundärseite, der dann zu einer DC-Spannung gleichgerichtet wird. Eine Kondensatorbank auf der Ausgangsseite glättet dann die Ausgangsspannung zu einem stabilen Wert.

Durch die Ausnutzung der Verstärkung im Resonanztankabschnitt (der LLC-Schaltkreis im obigen Diagramm) kann die Spannung auf der Primärseite angepasst und auf dem gewünschten Wert gehalten werden. Die durch die Rückkopplungsschleife gemessene Spannung wird verwendet, um das PFM-Signal aus dem Gate-Treiber-Schaltkreis anzupassen, das mehr oder weniger Verstärkung im primären LLC-Netzwerk ausnutzt. Hier werden der Transformator und die Induktivität kritisch und müssen ausgewählt werden, um den richtigen Verstärkungsbereich zu bieten.

Auswahlkriterien für Induktivität und Transformator

Die Induktivität und der Transformator müssen bestimmte Kriterien erfüllen, um in einem LLC-Konverterdesign ordnungsgemäß zu funktionieren:

Induktivitätswert der Spule: Die Induktivitätswerte der beiden Spulen im LLC-Konverterstadium hängen vom Wert des Kondensators Cr ab. Ein typischer Kondensatorwert ist Cr ~ 100 nF bis 1 uF, sodass die Induktivität auf der Primärseite (Lr) bei Betrieb nahe 100 kHz (typische Gate-Treiber-Frequenzen) ~0,1 mH beträgt. Die Induktivität der Primärspule des Transformators (Lm) beträgt normalerweise etwa 5-10 % des Wertes von Lr.
Spulenwiderstand und Strombelastbarkeit: Der Widerstand des Leiters beeinflusst die Strombelastbarkeit im Transformator/Induktor. Idealweise sollte der Spulenwiderstand so niedrig wie möglich sein, um die Wärmeerzeugung zu reduzieren.
Wicklungskapazität. Dieses parasitäre Element bestimmt die Anfälligkeit für Störungen, was wichtig wird, wenn der Konverter andere hochgeschwindigkeitsdigitale Schaltungsblöcke versorgt. Physisch kleinere Induktoren und Transformatoren haben eine größere Wicklungskapazität.
Zusätzliche Primär- oder Sekundärspulen: Der Transformator kann mehrere Spulen auf der Primärseite haben, um die Spannung auf ~5 V oder ~3,3 V zu reduzieren, um Peripheriegeräte in der Rückkopplungsschleife und andere Komponenten im System zu versorgen.
Platzbedarf: Ein LLC-Konverter, der für den Hochleistungsbetrieb ausgelegt ist, wird sperrige Komponenten haben. Die Platzbedarfe können bei ~1 kW-Konvertern ~5-10 cm groß sein.

Ein Beispiel für eine in Hochleistungs-LLC-Konverterdesigns häufig verwendete Induktivität ist die 2300HT-Serie von Leistungsinduktoren von Bourns. Diese Induktoren haben einen kleinen Platzbedarf (bis zu 1,28 Zoll im Durchmesser) und können Ströme von 2,9 bis zu 38,7 A aushalten. Sie sind speziell dafür ausgelegt, die hohen Temperaturen, die in Hochleistungskonvertern in extremen Umgebungen auftreten können, zu widerstehen, mit einer Betriebstemperaturbewertung von -55 bis +200 °C. Sie sind auch in vertikalen oder horizontalen Montagestilen erhältlich und bieten Designern eine Option mit niedrigem Profil, falls benötigt.

Fotografie und mechanische Zeichnungen der 2300HT-Serie. Aus dem 2300HT-Datenblatt.

Die Reihe von Puls-Transformatoren von Würth Elektronik ist eine Option für den Einsatz in Hochleistungs-LLC-Konverterdesigns. Diese Transformatoren bieten die niedrige Induktivität und hohe Strombelastbarkeit, die in moderaten Leistungssystemen erforderlich sind. Sie verfügen auch über eine Reihe von Anschlüssen zur Auswahl von Ausgangsspannungs-/Stromwerten in einem relativ kleinen Paket.

Beispiel für Footprint-Daten für den 750311591 Impulstransformator von Würth Elektronik. Aus dem 750311591 Datenblatt.

Weitere Komponenten für das Design von LLC-Resonanzwandlern

Durch die Kombination der Spuleninduktivität des Transformators und des Wertes der primären Induktivität können Sie den Bereich der nutzbaren Frequenzen in Ihrem LLC-Wandlerdesign auswählen. Einige andere Komponenten müssen in der Rückkopplungsschleife im oben gezeigten LLC-Resonanzstadium sowie in der Rückkopplungs- und Steuerschleife, die in Ihrem PFC-Schaltkreis verwendet wird, erscheinen. Zu diesen Komponenten gehören:

Ob Sie an einem LLC-Wandlerdesign oder einer anderen Leistungswandler-Topologie arbeiten, dank der fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen von Octopart können Sie die benötigten Teile finden. Wenn Sie die Elektronik-Suchmaschine von Octopart nutzen, haben Sie Zugriff auf Daten von Distributoren und Teilespezifikationen, und das alles ist frei zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten Schaltkreisen für Energiemanagement, um die Komponenten zu finden, die Sie benötigen.

Bleiben Sie auf dem Laufenden mit unseren neuesten Artikeln, indem Sie sich für unseren Newsletter anmelden.